Medidores de Temperatura

TEMPERATURA

República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la Defensa

Universidad Nacional Experimental Politécnicade la Fuerza Armada Nacional

U.N.E.F.A.Núcleo Puerto CabelloSistemas de Control

Puerto Cabello, Junio de 2.013

Integrante:Juan Tello

Ci:19.196.6806to Semestre de Ingeniería

MecánicaSección: “A”

Facilitador:Ing. Giovanni Ghelfi

Es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frio. Por lo general un objeto mas caliente tendrá una temperatura mayor, y si fuese frio tendrá una temperatura menor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. Es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia.

TEMPERATURA

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

CALOR

DIFERENCIA ENTRE TEMPERATURA Y CALOR

Calor Temperatura

•Energía cinética total de las moléculas de un cuerpo

•Energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo

•El calor depende de la velocidad de las partículas, numero, tamaño y tipo.

•La temperatura no depende del tamaño, numero o tipo.

•El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya

•Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si retiramos calor, disminuye.

•El calor es energía.•La temperatura no es energía sino una medida de ella.

En vista de que la medición exacta de la temperatura es de gran importancia en la industria así como en la investigación científica, en los aspectos de la vida cotidiana tales como la comodidad física y la salud, es esencial que las mediciones de temperatura tengan el mismo significado, es decir, que todos utilicen la misma escala de temperatura. Esto se logra mediante la selección de puntos fijos que puedan reproducirse (temp. de ebullición y temp. de congelación) y dividiendo los intervalos de temperatura entre dichos puntos entre un numero conveniente de grados.

ESCALAS DE TEMPERATURA:UNIDADES Y

EQUIVALENCIAS

• Escala Fahrenheit (°F):

El primer paso hacia la construcción de termómetros seguros con una escala que pudiera reproducirse, fue ideado por Daniel Fahrenheit. Para el año 1.714, ya construía termómetros de mercurio, los cuales fueron reconocidos como sistemas bastante superiores a cualquiera de los que se habían producido.


EQUIVALENCIAS

• Escala Reaumur (°R’):

Cerca del año 1.731, Réaumur fue el siguiente en proponer una escala de temperatura. Escogió el punto de congelación del agua como uno de los puntos fijos; determino que el alcohol diluido con la quinta parte de agua se expandía desde 1.000 hasta 1.080 unidades de volumen entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua. De esta forma designo por 0° el punto de congelación y por 80° el de ebullición.


EQUIVALENCIAS

• Escala Celsius Centígrada (°C):

En el año de 1.742, Celsius propuso una escala de temperatura con 0° para el punto de fusión del hielo y 100° para el punto de ebullición del agua.


EQUIVALENCIAS

• Escala Kelvin (°K):

En el año 1.848, Lord Kelvin sugirió un método para definir la escala de temperatura que no esta basada en el cambio de ninguna propiedad de una sustancia en particular a causa de la temperatura. Esta basada en el cambio de volumen por la temperatura que se produce en una masa fija de un gas ideal sometido a presión constante, o en el cambio de la presión del gas a un volumen constante.


EQUIVALENCIAS

• Escala Rankine (°R):

Esta escala es equivalente a la escala termodinámica absoluta expresada en grados Fahrenheit. Así, la temperatura del punto de congelación del agua en la escala Rankine, corresponde a 491,7 °R.


EQUIVALENCIAS


EQUIVALENCIAS

Los instrumentos medidores de temperatura utilizan diversos fenómenos que son dependientes de la temperatura, entre ellos, la variación de la resistencia de un conductor, variación en volumen o en estado de los cuerpos, fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales distintos, variación de resistencia de un semiconductor y la intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo.

PRINCIPIOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Raumthermometer_Fahrenheit+Celsius.jpg

• Termómetros de vidrio• Termómetros bimetálicos• Sistemas de llenado:

Actuados por líquidosActuados por vaporActuados por gasActuados por mercurio

• Termómetros de resistencia• Termistores• Termocuplas• Pirómetros:

ÓpticosDe radiación

PRINCIPIOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA

El principio de funcionamiento de estos termómetros se basa en la propiedad que tienen los líquidos de dilatarse al aumentar la temperatura a la cual están expuestos. Uno de los líquidos mas utilizados es el mercurio.

TERMÓMETROS DE VIDRIO

TERMÓMETROS DE VIDRIOVidrio

Temperaturas (°C)

De fatigaUso

Continuo Intermitente

Corning Normal 7560 500 370 430

Kimble R6 490 360 420

Jena 16 III 495 365 425

Corning Borosilicato 8800 529 400 460

Jena Borosilicato 2954 548 420 480

Corning 1720 668 540 600

Jena Supremax 2955 665 535 595


FluidoRango de

Temperatura (°C)

Mercurio -39 / +280

Mercurio (tubo capilar con gas) -39 / +750

Pentano -200 / +20

Alcohol -100 / +50

Tolueno -70 / +100


Ventajas Desventajas

Bajo costo y simplicidad de uso

Temperatura máxima de 600 °C aproximadamente

No necesitan energía para su funcionamiento

Falta de adaptabilidad para lecturas remotas y de control

Facilidad para inspeccionar sus fallas físicas Fragilidad

El principio de operación de operación de estos termómetros se basa en la diferencia entre los coeficientes de dilatación de los metales. El elemento sensor esta formado por dos metales laminados conjuntamente los cuales, al calentarse, se doblan debido a la expansión diferencial de los mismos.

Generalmente las partes externas del medidor son de acero inoxidable, el cual tiene una buena resistencia a la corrosión. El rango aproximado de uso esta entre los -120 °C a los +220 °C, aunque pueden obtenerse termómetros bimetálicos especiales para ser usados hasta 500 °C aproximadamente.

TERMÓMETROS BIMETÁLICOS


Par BimetálicoTemperatura Máxima

de Utilización (ºC)

Aluminio - Invar 250

Níquel – Cuarzo 600

Bronce – invar. 600

Níquel Cromo - Porcelana 1000


Ventajas Desventajas

Bajo costo, fácil instalación y mantenimiento Limitados a montajes locales

Buena exactitud (1% del rango de la escala) comparada con el

bajo costo

La calibración puede cambiar si son manipulados rudamente

Los modelos de vástago largo permiten una inmersión adecuada en tanques

profundos donde pueden existir diferencias entre la

temperatura del fondo y de la superficie

Se usan generalmente para indicación y algunas

aplicaciones de control ON-OFF

Estos termómetros están basados en el principio de la expansión cubica de un liquido, gas o en la variación de la presión de vapor de un liquido. El sistema usualmente consiste en un elemento sensitivo de temperatura (bulbo), un elemento sensitivo a la presión o a los cambios de presión (bourdon, fuelle o diafragma), un medio de conexión entre los dos elementos anteriores (tubo capilar) y un dispositivo para indicar o registrar la temperatura medida.

SISTEMAS DE LLENADO

SISTEMAS DE LLENADOVentajas Desventajas

La simplicidad del sistema permite un diseño de menor costo

y una construcción robusta, minimizando así la posibilidad de daños o fallas en el transporte,

instalación o uso.

La temperatura máxima es mas limitada que en algunos sistemas eléctricos, por debajo de 1500 °F

(≈ 815 °C)

El sistema no necesita fuentes externas de energía

El tamaño del bulbo puede resultar demasiado grande para adaptarse al espacio disponible

Su sensibilidad, exactitud y tiempo de respuesta son

comparables a la de cualquier otro transductor

En caso de fallas debe sustituirse o repararse toda la unidad

El capilar permite suficiente separación entre el punto de

medición y el punto de indicación; aunque se llegan a usar capilares de 400 pies, es mas económico usar transductores cuando la

señal se va a transmitir mas de 100 pies

La transmisión a distancia esta mas limitada que en los sistemas

eléctricos. La distancia entre sensor e indicador esta limitada

entre 30 y 400 pies, dependiendo del fluido y de la exactitud

requerida

• Clase I (cambios volumétricos)Clase IAClase IB

• Clase II (cambios de presión)Clase IIAClase IIBClase IICClase IID

• Clase III (cambios de presión)

• Clase V (cambios volumétricos)

SISTEMAS DE LLENADO

• Clase I (cambios volumétricos)

Este sistema se define como una unidad térmica completamente llena con un liquido (que no sea mercurio) y operando con el principio de la expansión de los líquidos. Como su dilatación es proporcional a la temperatura, la medición es uniforme. El volumen del liquido depende principalmente de la temperatura del bulbo, del capilar y del elemento de medición. El campo de medición de estos instrumentos varia entre -75 °C y 300 ° C. La exactitud varia entre 0,5% a 1%.

Los cambios de temperatura sobre el capilar afectan la relación de volúmenes de liquido en el capilar y en el bulbo produciendo lecturas de temperatura erróneas. Por este motivo, cuando los capilares son largos y están sometidos a variaciones de temperatura, se hace necesaria la compensación.

SISTEMAS DE LLENADO:CLASE I

Clase IA (compensación total):Consiste de un bourdon y un

capilar del mismo largo que el capilar de medición pero sin bulbo. De esta forma, los movimientos del bourdon-capilar compensados son contrarios al de medición y compensan variaciones de temperatura sobre el capilar medidor.


Clase IB (compensación en la caja):Consiste en un bourdon el cual

compensa errores del bourdon de medición por cambios de la temperatura ambiente en la caja del instrumento, esto lo hace con la ayuda de un bimetálico.


En ambos casos el sistema de compensación esta instalado en el propio sistema de medición y no en el elemento primario (bulbo).

Ecuación del diseño de los bulbos termométricos de Clase I

ΔV = cambio de volumen del elemento motor del sistemaγ = coeficiente de dilatación diferencial entre el liquido y el bulboR = amplitud de temperaturaVb = volumen del bulbo


ΔV varia generalmente entre 0,04 y 0,15 cm³, según el fabricante, γ para la mayoría de los líquidos es aproximadamente 6x10ˉ °F/cm³.


Error debido al bulbo:

Cuando el bulbo de un sistema de llenado (liquido) se eleva o baja con respecto al nivel de la caja, se origina una diferencia de presión entre el bulbo y el bourdon igual a la columna de liquido produciendo un error en la medición. Debido a que los bulbos son muy rígidos y los líquidos altamente incompresibles, este error no es muy grande. Los limites mas usados para la diferencia de altura entre el bulbo y la caja son de mas o menos 30 pies.


• Clase II:Esta clase de termómetros se activa por presión y opera de

acuerdo con la ley física según la cual cuando un sistema de presión sellado es vaciado y luego llenado con un liquido volátil y parcialmente con el vapor de este mismo liquido bajo presión, existirá una relación definida entre la temperatura del liquido y la presión de vapor sobre el mismo.

Los líquidos mas usados para esta clase de termómetros son el éter, alcohol etílico, propano, cloruro de etilo y butano, seleccionados con el objeto de dar la presión máxima para los diferentes rangos de temperatura.

SISTEMAS DE LLENADO:CLASE II

Clase IIA:Es el tipo mas común de los termómetros actuados por vapor,

diseñado para operar en la condición de que la temperatura del bulbo sea mayor que la temperatura del resto del sistema. El bourdon, el capilar y parte del tubo están siempre llenos de liquido.

El bulbo debe ser suficientemente grande para acomodar el cambio de volumen del relleno del bourdon y capilar debido a cambios de la temperatura ambiente, acomodar los cambios de volumen debidos a un cambio en la temperatura del bulbo, acomodar el cambio de volumen del bourdon a través del rango y proveer algún volumen mínimo del liquido y del vapor.


Clase IIB:Diseñados para

operar con la temperatura del bulbo inferior a la temperatura del resto del sistema. Pueden tener un bulbo mas pequeño ya que este no necesita acomodar el primer y tercer efecto mencionados en la Clase IIA.


Clase IIC:Diseñados para operar con la temperatura del bulbo por

encima y por debajo de la temperatura del resto del sistema. Esta clase, normalmente requiere de bulbos mas largos que los de las clases IIA y IIB, por cuanto, además de los requisitos de volumen dados para la Clase IIA, el bulbo debe acomodar el volumen completo del bourdon y el capilar.

Este sistema no da una indicación adecuada cuando el liquido esta entrando o saliendo del capilar y el bourdon (cerca de la temperatura ambiente).


Clase IID:El liquido volátil esta confinado en el bulbo promedio de un

liquido de baja presión de vapor, el cual llena el capilar y el bourdon y transmite la presión generada en el bourdon. El diseño es tal que el liquido volátil no entra en el capilar bajo ninguna condición de uso.

El volumen del bulbo es ligeramente mayor que el de la Clase IIA. En estos sistemas la indicación (presión de vapor) no es lineal con respecto a la temperatura del bulbo y los instrumentos son mas sensibles hacia el extremo superior del rango.


El rango de temperatura de los sistemas de Clase II esta generalmente alrededor de -40 °C a +315 °C. Esta clase no requiere de compensación y tiene una exactitud de 0,5% a 1%.

Los sistemas de la Clase II son sensibles a los cambios en la presión atmosférica y por ello se diseñan para que el cambio mínimo de presión interna a través del rango de medición sea de 100 Psi, manteniendo el error dentro de 0,25% del rango.


• Clase III (accionados por gas):

Su principio de operación se basa en el hecho de que, para los gases ideales, la presión y el volumen varían con la temperatura de acuerdo a la siguiente ley:

P·V=K·T

P: presión absolutaV: volumenT: temperaturaK: constante que depende del gas

SISTEMAS DE LLENADO:CLASE III


El comportamiento de muchos gases se aproxima al ideal y, para los gases tales como el hidrogeno, helio, nitrógeno, argón y otros, es posible medir las desviaciones de la idealidad, tal que la relación PV/T puede cumplirse con una exactitud mejor del 0,1%. La compensación de la temperatura ambiente se lleva a cabo de la misma manera que en el caso de la Clase I, obteniéndose así las clases IIIA y IIIB.

La Clase III cubre el rango de temperatura mas amplio que puede lograrse con un termómetro de llenado. Comúnmente se usan entre -268 °C y +650 °C aproximadamente. El sistema tiene una respuesta rápida y una escala uniforme. La exactitud varia desde 0,5% a 1%. El error por diferencia de temperatura en el capilar puede expresarse con la siguiente relación:



Tc= temperatura media del capilar, °RTb= temperatura absoluta del bulbo, °RΔTc= cambio de la temperatura del capilar, °FR= tendido, °F



De la ecuación anterior puede deducirse que el error aumenta a medida que se incrementa la temperatura del bulbo y puede reducirse aumentando el volumen del bulbo y/o el tendido. Los sistemas Clase III son sensibles a cambios en la presión atmosférica. Se diseñan de modo que la variación de presión a través del rango sea del orden de 400 Psi, a fin de que el error barométrico se haga despreciable.


• Clase V (actuados por mercurio):

Este sistema es definido como un sistema completamente lleno de mercurio o una amalgama de mercurio-talio y que opera bajo el principio de la expansión de los líquidos. Los métodos utilizados para la compensación de la temperatura ambiente, son los mismos que se utilizan en la Clase I. De esta forma se obtienen las clases VA y VB

La ecuación de diseño es la misma de la Clase I:

SISTEMAS DE LLENADO:CLASE V

• Clase V (actuados por mercurio):

La diferencia mas notable con el caso de la Clase I consiste en la variación de γ y ΔV pues aquí se toman los valores: ΔV= 0,04 a 0,1 cm³ y γ= 7,3x10¯⁵ °F/ cm³, quedando:

Como se podrá observar de esta ultima ecuación, el tamaño del bulbo es mayor que en el caso de la Clase I.

El rango de medición varia desde -39 °C hasta 535 °C, con una exactitud de 0,5% a 1% y su respuesta es lenta.

SISTEMAS DE LLENADO:CLASE V

SISTEMAS DE LLENADOClasif.

sama

Tipo

Compen.

Tipo

llenad

TemperaturaLineal

EscalaResp.

Efect

Cabez

Sobre

RangoMin. Máx.

I No comp.

Liquido -125 600 Lineal 6-7s

Grande

compens

ación

requerida

150%IA Completa

IB Caja

IIA

No

requeridaVapor -40 600

Escala

aumenta

con

aumento de

temperatur

a

4-5 s

excepto

alreded

temp

amb.

Aprec. Nada

IIB

IIC

IID

IIIA CompletaGas -400 1400 Lineal 4-7s Ninguno 150-300%

IIIB Caja

VA CompletaMercurio

-35 1200Lineal 4-5s Aprec. 150%

-35 600VB Caja

En los termómetros de resistencia el alambre metálico va enrollado sobre unas laminas de mica o sobre una varilla de cerámica, colocando el conjunto en el interior de un tubo resistente al calor y a la corrosión. Esta clase de termómetros ha sido sustituida por los que emplean cuarzo como material de soporte por cuanto este tiene también excelentes propiedades aislantes y es resistente a la temperatura y al ataque de gran cantidad de sustancias químicas.

TERMÓMETROS DE RESISTENCIA

Rt= resistencia a T °C, en ohmiosRo= resistencia a 0 °C, en ohmiosα= coeficiente de temperatura de resistencia


El conductor de la resistencia no puede estar formado por cualquier material, se requiere que tenga ciertas características que garanticen alta sensibilidad, precisión, facilidad en el proceso de fabricación y rapidez de respuesta. Dichas características son:

• Alto coeficiente de temperatura a la resistencia.

• Alta resistividad.

• Relación lineal resistencia-temperatura.

• Rigidez y ductilidad.

• Estabilidad de las características durante la vida útil del material.


Cada uno de estos materiales tiene ventajas y desventajas y su selección depende de un orden de prioridades en las características. El platino garantiza precisión y estabilidad pero su costo es muy elevado; generalmente se usa la sonda Pt-100, la cual tiene una resistencia de 100 ohmios a una temperatura de 0 °C. Respectivamente la Pt-200 tiene una resistencia de 200 ohmios y la Pt-500 de 500 ohmios, todas a 0 °C.

El níquel es económico, posee una resistencia elevada con una alta variación por grado pero su relación resistencia-temperatura es poco lineal y el coeficiente de resistencia es muy variable. El cobre tiene variación de resistencia uniforme, es económico y estable pero su resistividad es baja.

El wolframio se emplea para temperaturas superiores a 1000 °C. El coeficiente de temperatura varía según las condiciones del elemento y por esto la exactitud de estas mediciones no es muy satisfactoria.



http://www.omega.com/pptst/1PT100G_RTD_ELEMENTS.html

La medición de la variación de la resistencia debida a los cambios de temperatura, se efectúa ordinariamente con un Puente de Wheatstone o con un Galvanómetro Diferencial. Cuando se emplea el Puente de Wheatstone, se utilizan los montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al puente.


• Montaje de dos hilos: La sonda de resistencia se conecta a uno de los brazos del puente, se hace variar el valor de una de las resistencias (R3) hasta que el galvanómetro no indique desviación; en ese momento se cumple la siguiente relación:

Donde X es el valor de la termoresistencia, el cual se obtiene despejando de la ecuación anterior:


El valor de la resistencia indica indirectamente el grado de temperatura. Este montaje es sencillo, pero las mediciones presentan error debido a que la resistencia de los conectores de la sonda al puente varía con los cambios de temperatura. Tomando en cuenta esto, la ecuación de balance es:

Donde:

K: coeficiente de resistencia por unidad de longitud.a y b: longitudes de los conectores de la sonda al puente.


• Montaje de tres hilos: En este circuito la sonda esta conectada al puente mediante tres hilos, evitando de esta manera que la medida se afecte por la longitud de los conductores o por la temperatura, pero las resistencias de los hilos “a” y “b” deben ser iguales.

Donde:K•a = K•b

Haciendo R2/R1=1, R3 puede ajustarse a un valor igual a X para que el galvanómetro no indique desviación alguna.


• Montaje de cuatro hilos: Se utiliza cuando se requiere una alta precisión en la medida de la temperatura.


Están generalmente compuestos de materiales semiconductores y la mayoría de ellos tienen un coeficiente de temperatura alto con resistencia negativa, es decir, su resistencia disminuye al aumentar la temperatura.

TERMISTORES

Rt= resistencia a la temperatura absoluta Tc, en ohmiosRo= resistencia a la temperatura absoluta To, en ohmiosβ= constante, dentro de un intervalo de temperatura moderado

TERMISTORES

TERMISTORES

Aplicaciones:• Medición de temperatura: utilizando un medidor en un Puente de

Wheatstone, se pueden obtener mediciones bastante exactas, estando estas limitadas por la mayoría de los casos por el instrumento indicador. También puede utilizarse este sistema para mediciones a distancia.

TERMISTORES

Aplicaciones:• Compensación de medidores: también se encuentran aplicaciones

en los instrumentos de medición, en los cuales la temperatura puede cambiar las características de sus componentes; por ejemplo, la resistencia eléctrica de la bobina de un galvanómetro puede variar con la temperatura, restringiendo su uso a temperaturas elevadas.

TERMISTORES

Aplicaciones:• Control de temperatura: disponiendo de un termistor cuya curva

resistencia-temperatura sea conocida, y de un resistor variable calibrado en temperatura, puede diseñarse un sistema para mantener temperatura constante. En la figura al colocar el resistor a una temperatura dada, se produce un desbalance en el puente, la corriente producida alimenta a un amplificador el cual actúa sobre un relé que permite una acción de control hasta que el termistor censa la temperatura deseada y balancea nuevamente el puente.

TERMISTORES

Aplicaciones:• Control de temperatura

TERMISTORES

Aplicaciones:• Termómetros diferenciales: en un Puente de Weatstone pueden

colocarse dos termistores que pueden ser usados para indicar una temperatura diferencial.

TERMISTORES

Los termopares se basan en un efecto termoeléctrico, el efecto Seebeck. Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.

TERMOPARES

• Efecto Seebeck:El Efecto Seebeck es una propiedad termoeléctrica

descubierta en 1.821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck que establece que en un circuito formado por dos metales diferentes unidos en sus extremos, fluye una corriente eléctrica si las juntas están a diferentes temperaturas.

TERMOPARES: LEYES

• Efecto Peltier:El Efecto Peltier, descubierto por Peltier en el año de 1.834,

implica la liberación o absorción de calor en las juntas de dos metales diferentes cuando una corriente fluye a través de sus juntas. Si la dirección de la corriente es invertida, el signo del efecto calórico también se invierte.

TERMOPARES: LEYES

• Efecto Thompson:Se conoce como Efecto Thompson a una propiedad

termoeléctrica descubierta en 1.851 por William Thompson (Lord Kelvin) en el que comprende la absorción o liberación de calor cuando existe un flujo de corriente a través de un metal homogéneo en el cual existe un gradiente de temperatura.

TERMOPARES: LEYES

• Efecto Joule:La materia ofrece cierta “resistencia” al movimiento de los

electrones, los cuales ceden energía cinética al entorno en los sucesivos choques. Esta energía proporcionada por los electrones se disipa en forma de calor. Este efecto es conocido como Efecto Joule en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule, que lo estudio en la década de 1.860.

TERMOPARES: LEYES

• Ley de los circuitos homogéneos:En un circuito formado por un solo metal, la f.e.m. generada

es cero, cualquiera que sean las temperaturas en los diferentes puntos del circuito termoeléctrico.

TERMOPARES: LEYES

• Ley de los metales intermedios:La suma algebraica de las fuerzas electromotrices térmicas en

un circuito compuesto de cualquier numero de metales distintos es cero, si todo el circuito se encuentra a una temperatura uniforme.

Si se interrumpe el circuito en una junta y se intercala un nuevo metal, la f.e.m. permanece constante a condición de que el nuevo metal quede a la temperatura que había en el punto de interrupción.

Si se interrumpe un circuito en un punto intermedio y se intercala un nuevo metal, la f.e.m. permanece constante a condición de que los extremos del nuevo metal queden a temperaturas iguales entre si.

TERMOPARES: LEYES

TERMOPARES: LEYES

• Ley de la temperaturas sucesivas o intermedias:La f.e.m. generada en cualquier termopar de metales

homogéneos con sus juntas a dos temperaturas T1 y T3, es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con una junta a temperatura T1 y la otra a T2 y la f.e.m. del mismo termopar con sus juntas a temperaturas T2 y T3.

TERMOPARES: LEYES

Los termopares son fabricados de alambre aislados eléctricamente y cuyo extremo pueden unirse por medio de varias técnicas, a saber soldadas a punto, entorchadas y soldadas.

El calibre del termopar incide en la respuesta del mismo, entre mas pequeño es el alambre mayor la velocidad de respuesta. Por otro lado, el tamaño de alambre es importante para la resistencia mecánica cuando es necesario por razones de auto soporte. Pero entre mayor es el diámetro del alambre mayor es el efecto de conducción del calor en la junta de medición, este aspecto puede ser de importancia sobre todo en las mediciones que requieren una inmersión muy pequeña de termopar.

TERMOPARES

El material de los termopares se debe seleccionar por:

•Su buena resistencia a las atmosferas corrosivas y oxidantes y el rango de temperatura que se va a usar.•Su resistencia al cambio de características que afecten su calibración.•Por estar libres de corrientes parasitas y por permitir la consistencia en las lecturas dentro de los limites de precisión requerida.

En aplicaciones industriales, la elección de los materiales empleados para fabricar un termopar depende de:

•El rango de temperatura que se va a medir.•El tipo de atmosfera a la que estará expuesto el material.•De la precisión requerida en la medición.

TERMOPARES

• Composición: existe una gran variedad de materiales que pueden seleccionarse para realizar un termopar, sin embargo, en su selección deben considerarse algunas características:

Que desarrollen un f.e.m. relativamente alta.

Que sean estables.

Bajo costo y disponibilidad.

Curvas de tensión-temperatura lineales.

Alto poder termoeléctrico.

TERMOPARES: DISEÑO

• Tamaño: el tamaño del termopar debe ser adecuado a la aplicación que se la va a dar. Normalmente, cuando los cables de los termopares son de diámetro pequeño, tienen una velocidad de respuesta mayor a los cambios de temperatura.

TERMOPARES: DISEÑO

TERMOPARESTipoANSI-ISA

Combinación de metales

Códigos de los termo-elementos

Rangos de temperatura

Límite de error

Atmósfera de AplicaciónStandard Especial

Termocuplas metálicas

JHierro/

constantanJPJN

- 73ºC a 427ºC427ºC a 760ºC

±2,2ºC(± ¾ %)

±1,1ºC(±1/3%)

Donde existe la deficiencia de oxígeno

libre. Reductoras

K Cromel/ AlumelKPKN

0ºC a 277ºC277ºC a 1149ºC-101ºC a -60ºC

±2,2ºC(±¾ %)±1.7ºC

±1,1ºC(±3/8 %)

(±1%)

Oxidantes. En reductoras si está

protegido

TCobre/

constantanTPTN

-75ºC a 93ºC 99ºC a 371ºC

±0,8ºC(±¾ %)

(±¾ %)(±3/8 %)

Húmedas, reductoras y oxidantes

ECromel/

constantanEPEN

0ºC a 316ºC316ºC a 871ºC

±1,7ºC(±1/2 %)

±1,1ºC(±3/8 %)

Oxidantes. Se puede usar en vacio

N Nicrosil/ NisilNPNN

0ºC a 277ºC277ºC a 1149ºC

±2,2ºC(±3/4 %)

--

Termocuplas de metales preciosos

RPlatino-rodio/

platino RPRN

Disponible hasta 1480°C

Depende del proveedor

-- OxidantesSPlatino-rodio/

platinoSPSN

-18ºC a 538ºC538ºC a 149ºC

±1,4ºC(±1/4 %)

BPlatino-rodio/ Platino-rodio

BPBN

Disponible hasta 1700°C

Depende del proveedor

La construcción del termopar comprende el tipo de juntas, el método para hacer la junta (soldadura blanda, soldadura dura, soldadura de punto) y la protección y aislamiento para completar el termopar. La adición de cualquier aislamiento o material de protección alrededor de la junta de medición, incrementa el tiempo de respuesta del termopar.

TERMOPARES: CONSTRUCCIÓN

Las juntas de medición del termopar pueden ser formadas por cualquier método que provea la resistencia mecánica necesaria y el perfecto contacto eléctrico. Los cables deben ser retorcidos entre si antes de soldarse para incrementar la resistencia de las juntas.

TERMOPARES: JUNTAS

• Bloque terminal: es un bloque de material (cerámica, en la mayoría de los casos) que se emplea para soportar y conectar los terminales de los alambres del termopar y su extensión.

TERMOPARES: ACCESORIOS

• Cabezal de conexión: pieza metálica en la cual se aloja el bloque terminal del dispositivo sensor de temperatura. Contiene una tapa roscada de cierre hermético para proteger de la intemperie las conexiones hechas sobre el bloque terminal.


• Extensión del cabezal de conexión: es un tubo o pieza de unión roscado o un conjunto de piezas de unión que se extienden entre el cabezal de conexión y el termopozo.


Son tubos diseñados para alojar el elemento sensor de temperatura y protegerlo de los efectos nocivos del medio. Son fijados a la cabeza de conexión, pero no son diseñados para lograr una fijación hermética en recipientes. Estos tubos pueden ser provistos de una boquilla roscada (busking) o de una brida (flange) para su fijación. Pueden ser:

• Tubos metálicos: ofrecen adecuada protección mecánica a los termopares hasta temperaturas de 1.149 °C. Debido a que estos tubos son algo porosos a temperaturas que exceden los 816 °C, puede ser necesario en algunos casos el uso de un tubo interior de material cerámico.

TERMOPARES: TUBOS PROTECTORES

• Tubos metal-cerámico: están compuestos de una combinación de un metal y un oxido metálico (tal como 77% cromo, 23% oxido de aluminio) los cuales, después de un debido tratamiento, forman tubos densos, resistentes a la corrosión y útiles hasta alrededor de 1.427 °C en la mayoría de las atmosferas.

• Tubos cerámicos: son frecuentemente usados a temperaturas superiores a los rangos de tubos metálicos, aunque algunas veces se emplean a temperaturas mas bajas en atmosferas que son nocivas a los tubos metálicos. Estos tubos encuentran gran aplicación en procesos de fundición, secado y otros tipos, debido a su resistencia, sobre todo en medios alcalinos. Una de las cerámicas mas utilizadas es la Silimanta (63% Al2O3 y 37% oxido de silicio).


Consisten en barras solidas perforadas provistas de roscas externas u otros medios para su fijación hermética en recipientes a presión. Están diseñadas para la protección del termopar en líquidos o gases a altas presiones tales como en tuberías de refinerías y plantas de fuerza a vapor, tanques presurizados y estaciones de bombeo.

El uso de un termopozo en lugar de u tubo de protección se hace imperativo a presiones superiores a 40 Psi, aunque pueden usarse a presiones mas bajas.

TERMOPARES: TERMOPOZOS

TERMOPARES: TERMOPOZOS

Cuando el termopar esta instalado a una distancia grande del instrumento, no se conecta directamente al mismo, sino por medio de un cable de extensión. Los cables de extensión son conductores con propiedades eléctricas similares a las del termopar hasta ciertos limites (0 a 200 °C) y son mas económicos.

Las conexiones entre el cable, el termopar y el instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalación debe evitar el paso próximo de fuentes de calor. Si estas recomendaciones no se cumplen, aparecen tensiones térmicas de corriente continua que dan lugar a un desplazamiento en la calibración del instrumento.

TERMOPARES: CABLES DE EXTENSIÓN

TERMOPARES

La fuerza electromotriz desarrollada en un termopar es proporcional a la diferencia de temperatura entre sus juntas. Para medir la temperatura es necesario conocer esta f.e.m. generada, cuyo valor no solo depende del tipo de termopar sino también de la temperatura a la cual se mantiene la junta de referencia.

Suponiendo que se dispone de un termopar de cobre-constantan (tipo T) y que se conectara un voltímetro DC, se observara en primer lugar que este crea dos juntas metálicas adicionales J2 y J3.

TERMOPARES: JUNTAS DE REFERENCIA

V3=0 ya que es una junta de cobre-cobre (mismo material). Es evidente conocer la temperatura en J2 para determinar la temperatura en J1. una solución sería colocar la junta J2 en hielo y mantener la temperatura en 0 °C, estableciendo así la junta J2 como junta de referencia. Como J3 y J4 no producen voltaje, la lectura V del voltímetro será proporcional a la diferencia de temperatura J1 y J2.


La lectura del voltímetro será:

V = (V1 - V2) ≈ α (Tj1 - Tj2); y, si las temperaturas están en °C,

Tj1 (°C) + 273,15 = Tj1 (K); entonces:

V= (V1 - V2) = α [ (Tj1 + 273,15) - (Tj2 + 273,15) ] = α (Tj1 – Tj2)

= α (Tj1 – 0) V = α (Tj1)


Una vez ubicada la junta de referencia en un baño de hielo o en un bloque isotérmico, los siguientes pasos para determinar la temperatura a la cual esta la junta caliente son:

• Medir la temperatura de referencia (Tref) y convertirla en el voltaje equivalente (Vref).

• Medir V y sustraerle el valor Vref para encontrar V1 y luego convertir V1 a la temperatura Tj1.

Al proceso anterior podría denominársele compensación por pasos y es necesario para eliminar el efecto de la junta de referencia.

TERMOPARES: COMPENSACIÓN

La compensación electrónica consiste en insertar en el circuito de termopar una batería o algún circuito electrónico para cancelar el voltaje de la junta de referencia; de esta manera, la junta de referencia aparente estar a 0 °C y el voltaje V puede leerse directamente y ser convertido a la temperatura equivalente usando las tablas correspondientes. Estos circuitos electrónicos pueden emplearse en una amplia variedad de termopares, pero presentan la desventaja de ser únicos para cada tipo de termopar.

TERMOPARES: COMPENSACIÓN

Usos típicos en las industrias:

Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección ) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio). (-40 °C a 760 °C).

La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos.

Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica (fundición de acero). Temperaturas elevadas.

Finalmente las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de alimentos.(-200 °C a 370 °C).

TERMOPARES

TERMOPARESVentajas Desventajas

No requiere alimentación.

La temperatura máxima que alcanza el termopar debe ser inferior a la

temperatura de fusión del metal, por lo tanto hay que elegir un modelo

adecuado a los valores d temperatura a medir, también debe garantizarse

que el medio en que se va a medir no ataca a ninguno de los metales de la

unión.

Respuesta rápida a las variaciones de temperaturas.

La relación Temperatura- Fem no es lineal por lo cual se necesita de la

transformación de la temperatura a fem y viceversa a través de unas

tablas de conversión.

Económicos y de amplio rango de temperaturas de -200 ºC a +1700 ºC.

Su acondicionamiento requiere otro sensor que mida la temperatura de

referencia.

Determinación puntual de la temperatura; amplia variedad de

formas físicas

Mantener la unión de referencia a una temperatura constante y conocida

Es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella.

• Pirómetros ópticos: miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que este emite.

• Pirómetros de radiación: miden la temperatura del cuerpo captando una gran parte de la radiación emitida por el mismo.

PIROMETRIA

La teoría de los pirómetros se basa en el hecho de que todos los cuerpos arriba del cero absoluto de temperatura irradian energía, de lo cual parten para medir la temperatura de los cuerpos. La radiación es un modo de propagación de la energía a través del vacío, de forma análoga a la luz.

PIROMETRIA

• Pirómetros ópticos:Se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos que

superan los 700ºC. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia. Se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararla visualmente con la imagen del objeto enfocado.

PIROMETRIA

PIROMETRIA

Estos instrumentos son muy empleados tanto en el laboratorio como en aplicaciones industriales para medir temperaturas superiores a 760 °C. Las aplicaciones industriales dependen de la precisión deseada en la medición de temperatura de objetos remotos e inaccesibles. Cuando no pueden emplearse otros sistemas, estos pirómetros son muy útiles en la medición de temperatura de metales y vidrios fundidos dentro de hornos, así como temperaturas de superficies o de filamentos incandescentes.

Estos instrumentos presentan la ventaja de ser portátiles y fáciles de operar y de adquirir, pero tienen la desventaja de no poder usarse para control automático.

PIROMETRIA: APLICACIÓN DE PIRÓMETROS ÓPTICOS

Los rangos normales de aplicación de estos instrumentos están entre 760 y 2.760 °C, pero su calibración puede ser extendida hasta los 5.538 °C, utilizando lentes especiales.

PIROMETRIA: RANGO DE MEDIDAS DE TEMPERATURA

Es importante observar que las mediciones con estos instrumentos son independientes de la distancia entre el área y el punto de observación, cuando la imagen del área observada es lo suficientemente grande para asegurar un brillo definido que pueda compararse con el filamento o punto de referencia y cuando el cono de rayos procedente del área a medir no es interceptado.

La precisión obtenida de un pirómetro óptico depende tanto del diseño como del uso. Con algunos equipos pueden obtenerse precisiones de 0,2 °C. Existen pirómetros de “desaparición de filamento” de uso industrial con los cuales pueden lograrse medidas con una precisión de ± 2 °F hasta los 1.093 °C.

PIROMETRIA: PRECISIÓN DE PIRÓMETROS ÓPTICOS

•Pirómetros radiactivos:

Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir W = σ·T

Donde:

W (potencia emitida)= flujo radiante por unidad de área, σ= constante de Stefan-Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W/m²·K ) y T= temperatura en Kelvin

PIROMETRIA: PIRÓMETROS DE RADIACIÓN

•Pirómetros radiactivos:Se diseñan para captar un amplio espectro de la energía

radiante y concentrarla en un elemento térmico muy sensible. Estos instrumentos miden la intensidad de la radiación emitida por un objeto caliente dentro de un rango de longitud de onda. Toda la energía radiante, visible e invisible, emitida por un cuerpo hacia el instrumento, es concentrada por un lente de Pyrex, sílica o fluoruro de calcio en una termopila formada por varios termopares de pequeñas dimensiones y montadas en serie. La radiación se hace incidir directamente sobre las uniones calientes de los termopares, los cuales son ennegrecidos para aumentar sus propiedades de absorción de energía y proporcionar la f.e.m. máxima.


Estos pirómetros están calibrados para dar una lectura correcta cuando se enfocan sobre un “cuerpo negro”. La mayoría de los hornos y calentadores industriales están lo suficientemente cerrados para aproximarse a las condiciones de “cuerpo negro”. Los pirómetros de radiación pueden utilizarse para medir la temperatura de objetos calentados fuera de recintos, tales como placas de acero y otros metales; estos forman una capa de oxido que los hace suficientemente opacos para que su poder emisor sea bastante cercano al de un “cuerpo negro”. Sin embargo, pueden ocurrir grandes errores en aquellos materiales de superficie limpia, tales como aluminio, níquel, acero inoxidable y latón, los cuales, debido a su bajo coeficiente de emisión reflejan un gran porcentaje de energía procedente de otras fuentes.

PIROMETRIA: APLICACIÓN DE PIRÓMETROS

RADIACTIVOS


RADIACTIVOS

• Objetos en movimiento, tales como piezas de vidrio en una maquina rotatoria.

• Medición de temperatura en zonas o superficies considerables, tales como la de placas metálicas de gran tamaño en la industria metalúrgica.

• Medición en medios muy contaminantes y que limitan la vida de otros sensores, tales como termopares y termómetros de resistencia.

• Medición en zonas de difícil acceso, tales como hogares de hornos.

• Mediciones de temperaturas que superan los rangos normales de operación de los termopares.


RADIACTIVOS

Un pirómetro óptico puede utilizarse en las condiciones anteriores, siempre y cuando no se requiera de control automático; el pirómetro de radiación si satisface tal condición y se adopta para el control de procesos.


RADIACTIVOS

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Medidores de Temperatura

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